用于內(nèi)燃機(jī)的等離子點(diǎn)火裝置的制造方法
【專利說明】用于內(nèi)燃機(jī)的等離子點(diǎn)火裝置
[0001]說明書
[0002]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的等離子點(diǎn)火裝置。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中存在已知的內(nèi)燃機(jī)，其工作方式為，對(duì)空氣與燃料的混合物進(jìn)行壓縮，通過引燃所述混合物產(chǎn)生的火花，在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生受控的爆炸，以此為所述內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力?；鸹ㄒ酝ǔ７绞疆a(chǎn)生，并向在電極之間呈現(xiàn)出特定間隙的火花塞提供高電壓能量，所述間隙被稱為“放電間隙”。所形成的放電將引發(fā)混合物的燃燒。
[0004]內(nèi)燃機(jī)的效率和污染物排放特性部分取決于混合物的性質(zhì)和燃燒模式。
[0005]在燃燒不完全或火花未產(chǎn)生、且燃燒室內(nèi)的燃料并未完全燃燒的情況下，這樣數(shù)量的未燃燒混合物將作為廢氣從配備有所述內(nèi)燃機(jī)的車輛上排出。存在于燃燒室內(nèi)的混合物總量的完全燃燒還由點(diǎn)火效率決定。
[0006]針對(duì)改善熱機(jī)內(nèi)的燃燒狀況的目的，已經(jīng)研宄出許多種可能的解決方案，其中有些是要誘發(fā)燃燒室內(nèi)的氣體混合物形成等離子狀態(tài)。
[0007]動(dòng)力學(xué)特性由電磁力主導(dǎo)的系統(tǒng)被稱為等離子體系統(tǒng):等離子體是帶電粒子與它們所產(chǎn)生的場(chǎng)的組合。
[0008]等離子體是物質(zhì)的第四種狀態(tài)，其通過對(duì)氣體或混合物的電離化獲得。在電離狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)等離子體以這樣的方式作用:其為電的良導(dǎo)體，且對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)性很高。
[0009]由此，正因?yàn)樯鲜鎏匦?，?nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)生成等離子體可確保使混合物的燃燒得以改善。事實(shí)上，在其在燃燒室內(nèi)的蔓延過程中，由等離子體產(chǎn)生的火焰前緣會(huì)在氣態(tài)混合物中產(chǎn)生非常高的溫度，這樣有利于同一火焰前緣的快速蔓延，其行進(jìn)所需時(shí)間可得以縮短，由此可使性能大幅改進(jìn)，并顯著減少未燃燒氣體的量。
[0010]更具體而言，內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)的氣體混合物形成等離子態(tài)的過程包括以下不可分開的3個(gè)階段:
[0011]1.通過產(chǎn)生火花使電介質(zhì)擊穿；
[0012]2.燃燒室內(nèi)氣體的高能電離化，被稱為等離子體；
[0013]3.保持受控電離化階段或等離子體階段。
[0014]在第一階段(通過產(chǎn)生火花使電介質(zhì)擊穿；所述的階段I)，在火花塞的電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，使得高能放電(階段I)穿過電介質(zhì)(例如空氣與燃料的混合物)。隨后為第二階段(燃燒室內(nèi)氣體的高能電離化，被稱為等離子體)，在此期間發(fā)生等離子體的形成。在此階段(第2階段)，燃燒室內(nèi)的混合物被引燃。在此階段，存在氣體混合物的局部點(diǎn)燃和火焰前緣的形成。由于有階段3 (保持受控電離化階段或等離子體階段)，通過提高火焰前緣的速度和強(qiáng)度，保證了火焰前緣蔓延的改善。
[0015]已經(jīng)知道，現(xiàn)有技術(shù)中有能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求的裝置。
[0016]一種已知的等離子體點(diǎn)火裝置包括高壓變壓器運(yùn)行所需的電氣/電子部件和用于供電的電氣連接裝置。所述的電氣/電子裝置包括等離子點(diǎn)火裝置運(yùn)行所需的電路，等等。該電路基本上由充電主電路、用于控制高壓變壓器的控制電路、和點(diǎn)火電路組成，此外還包括電氣連接件和用于提供能量所需的部件。
[0017]具體而言，文件US2010/0319644披露了由以下各項(xiàng)組成的一種等離子體點(diǎn)火裝置:
[0018]-主控制電路，其實(shí)質(zhì)上由電流發(fā)生器、阻塞二極管、電感元件和電容組成；
[0019]-線圈驅(qū)動(dòng)電路，包括上述電容、SCR(可控硅整流器)式二極管、高壓變壓器的初級(jí)繞組(例如，高壓點(diǎn)火線圈)和高壓阻塞元件。
[0020]SCR 二極管提供一種可由外部信號(hào)激活的開關(guān)機(jī)制，以使電容向高壓點(diǎn)火線圈的初級(jí)側(cè)放電。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)可以激活SCR 二極管，以在預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)火。點(diǎn)火電路包括高壓變壓器的次級(jí)側(cè)和火花塞或其他點(diǎn)火裝置。在初次施加放電脈沖(例如，由SCR 二極管信號(hào)導(dǎo)致)之后，隨著電流流過變壓器繞組，高壓變壓器的阻抗立即顯著增大。高壓變壓器的阻抗可確保電容以足夠低的速率放電，從而使得次級(jí)并聯(lián)路徑可將留存在電容內(nèi)的能量通過初始等離子電弧直接釋放(其中所述次級(jí)并聯(lián)路徑由高壓阻塞元件提供保護(hù)，其將電容的輸出直接連接至火花塞電極之間“間隙”)，即使在電容的電壓低于高壓變壓器的次級(jí)輸出的情況下亦可實(shí)現(xiàn)。由此該電流可使等離子體芯擴(kuò)展，從而提高火花能量，使更多的氣體(空氣和燃料混合物)電離，并確保良好的燃燒效果。從上文可以看出，作為所述文件的目的的發(fā)明包括用于部分控制線圈的SCR 二極管。該二極管只能在點(diǎn)火階段被控制，在開關(guān)斷開時(shí)則無法控制。因此，所述發(fā)明無法提供這樣的技術(shù)手段，該技術(shù)手段能夠?qū)μ貏e針對(duì)所述循環(huán)的定時(shí)加以干預(yù)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)速度變化也可保持其恒定，原因在于SCR 二極管的閉合總是會(huì)在電容內(nèi)的能量被釋放的時(shí)刻發(fā)生。
[0021]在文件W02012/106807中還披露了一種用于生成連續(xù)等離子體的控制單元。具體而言，在所述文件中，披露了一種電位發(fā)生電路800 (在所述文件中見圖8，在本文中為“圖2”)，包括:
[0022]-3個(gè)半導(dǎo)體元件:第一二極管803、第二二極管806和靜態(tài)開關(guān)807 ;
[0023]-3個(gè)無源部件:電感802、電容804和變壓器，例如點(diǎn)火線圈805。
[0024]電位發(fā)生電路800還包括控制單元809，其被耦合至靜態(tài)開關(guān)807的柵極，用于控制開關(guān)807的開關(guān)功能。電位發(fā)生電路800還包括直流電源801。直流電源801的負(fù)極一側(cè)被耦合接地，而直流電源801的正極一側(cè)則被連接至電感802，繼而再耦合至第一二極管803的陽極。電容804的一側(cè)被耦合接地，另一側(cè)則被耦合至第一二極管803的陰極。第一二極管803的陰極還被耦合至點(diǎn)火線圈805的初級(jí)繞組(I)的第一端。點(diǎn)火線圈805的初級(jí)繞組(I)的第二端被連接至第二二極管806的陽極。第二二極管806的陰極被連接至靜態(tài)開關(guān)807的連接點(diǎn)。靜態(tài)開關(guān)807的柵極通過控制線路808被連接至控制單元809的輸出端。靜態(tài)開關(guān)807的漏極被連接至地?？刂茊卧?09的輸入線路被耦合至電位發(fā)生電路800的輸入端口 811。輸入端口 811被耦合至控制通道813。點(diǎn)火線圈805的次級(jí)繞組
(II)被親合至電位發(fā)生電路800的第一端子812的一端。電位發(fā)生電路800的第一端子812和第二端子814被外部耦合至相應(yīng)的外部電極上，所述外部電極形成放電“間隙”816，以供在燃燒室內(nèi)存在氣體混合物(空氣/燃料)的條件下使用。
[0025]由此，在進(jìn)行分析時(shí)，電位發(fā)生電路800可被分解為4個(gè)子電路。第一子電路為包括地、直流電源801、電感802、第一二極管803、電容804和地的閉合電路。第二子電路為包括地、電容804、點(diǎn)火線圈805的初級(jí)繞組(I)、第二二極管806和靜態(tài)開關(guān)807以及地的閉合電路。第三子電路為包括地、直流電源801、電感802、第一二極管803、點(diǎn)火線圈805的初級(jí)繞組(I)、第二二極管806、靜態(tài)開關(guān)807和地的閉合電路。第四子電路為包括點(diǎn)火線圈805的次級(jí)繞組(II)的閉合電路，所述繞組(II)通過第一端子812和第二端子814被連接至形成放電“間隙”816的一對(duì)外部電極。
[0026]W02012/106807中所示系統(tǒng)、電路和方法的運(yùn)行包括4個(gè)階段。在第一階段，靜態(tài)開關(guān)807被控制單元809閉合。靜態(tài)開關(guān)807通過初級(jí)繞組開始對(duì)電感802和點(diǎn)火線圈805充電，使流過第三子電路的電流充電到所需的水平。此電流水平將首先決定存儲(chǔ)在電感802內(nèi)的能量被傳送至電容804的量，其次，將決定存儲(chǔ)到點(diǎn)火線圈805內(nèi)的能量的量。
[0027]在第二階段，靜態(tài)開關(guān)807被控制單元809打開。靜態(tài)開關(guān)807結(jié)束導(dǎo)電，電容804通過第一子電路被充電到正電壓。與此同時(shí)，存儲(chǔ)到點(diǎn)火線圈805內(nèi)的能量經(jīng)第四子電路釋放，在放電“間隙”816內(nèi)產(chǎn)生具有負(fù)極性的高壓。如果第二階段跟隨初始第一階段進(jìn)行，則在放電“間隙” 816內(nèi)會(huì)發(fā)生電介質(zhì)擊穿。
[0028]在第三階段，靜態(tài)開關(guān)807被控制單元809閉合。靜態(tài)開關(guān)807開始導(dǎo)電，電容804經(jīng)第二子電路被充電，通過點(diǎn)火線圈805將能量傳送至第四子電路，在放電“間隙”816內(nèi)產(chǎn)生高壓，所述高壓例如具有正極性。
[0029]在第四階段，靜態(tài)開關(guān)807保持閉合，流經(jīng)第二子電路的電流減小，電容804被重新充電至負(fù)電壓，導(dǎo)致流經(jīng)第一子電路的電流增大，此電流對(duì)電感802充電。到第四階段結(jié)束時(shí)，存在于燃燒室內(nèi)、位于放電“間隙”816附近的氣體混合物將承受兩個(gè)初始電壓脈沖。氣體混合物的電介